Файл: Гагин. Системный синтез. Линия жизни.doc

Макс Планк, связал энергию излучения кванта, с частотой. А, зная разность в энергии начальной и конечной орбит, можно определить частоту излучения. Это, уже объясняло спектры излучения атомов. Так, было положено начало, квантовой физике.

Почему же, двигаясь ускоренно по орбите, электрон не излучает? Физики объясняют это так. Возьмём сосуд с насыщенным солевым раствором. Охладим его. В какой-то точке сосуда, выпадет кристаллик соли. Нагреем сосуд. Кристаллик растворится. При повторении, он опять выпадет, но в другом месте. При дальнейшем повторении, кристаллик будет выпадать в непредсказуемыхточках. Но, ведь механического движения нет! Так же и в случае с электроном: находясь на стационарной орбите, и «растворяясь» в собственном электромагнитном поле, он то «конденсируется» из него и занимает определённое положение, то вновь «растворяется». Таким образом, он занимает различные положения, не совершая механи­ческого движения, а потому, не излучает волн.

Эксперименты показали наличие у электронов волновых свойств. Поэтому, Луи де Бройль, предположил, что любой материальной частице, с массой mи ско­ростьюVсоответствует волна длиной:

λ = ћ/(mV) (24)

Но, электрон имеет отрицательный электрический заряд. Как же он распределён в волне? В опытах по рассеиванию жёсткого рентгеновского излучениями, на атомах, обнаружен эффект Комптона. Он заключается в том, что рассеивание, электромагнитного кванта, на электроне в атоме, имеет вид, как если бы заряд был сосредоточен в точке.

Макс Борн, дал такую интерпретацию волнам материи: волне материи одиночного электрона, соответствует «волна вероятности». Невозможно ответить - где находится электрон. Он в любом месте, гдеIΨI≠ 0, где Ψ - волновая функция, квадрат модуля которой, определяет вероятность нахождения электрона.

5.1.1.2.ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ.

«Наука не является и никогда не будет являться законченной книгой… Всякое развитие обнаруживает со временем всё новые и более глубокие трудности».

(Эйнштейн)

Таким образом, физическое описание объектов микромира, становится неопределённым, и не подчиняющимся, законам клас­сической науки. Вернером Гейзенбергом, был сформулированпринцип неопределённости. Он гласит:нельзяодновременно измерить импульс и координату микро­частицы. Это связано с объективными свойствами материи.

_{Результаты экспериментов, по определению, например, координаты, имеют ве­роятностный характер. Значит, при проведении серии одинаковых опытов, над одинаковыми системами, получаются всегда разные результаты. Это приводит науку к новому пониманию казуальности (случайности), к новой интерпретации взаимо­связи и следствия}

Представление о микромире, существенно зависит, от способа вторжения в него, от условий и эффективности измерительных процессов. Но, ясно теперь одно: самые глубинные законы Природы, имеют лишь вероятностное описание. Например: флуктуации вакуума, могут, на краткий момент, не подчиняться законам сохране­ния энергии.

Электрон, лишь с натяжкой, можно считать материальной точкой. Поэтому, его координаты и импульс, тоже приблизительны.

Количественно это выражается гей­зенберговским соотношением неопределённостей:

Δх.Δрх ≥ ћ/2 (25)

где, Δх и Δрх - неопределённости координаты и проекции импульса.

Такое же соотношение, определяет неточность энергии и неопределённость промежутка времени, в течение которого, протекает процесс:

ΔЕ.Δt = ћ (26)

где, ћ =h/2π

Такое понятие, как траектория, для элементарной частицы, тоже, теряет смы­сл. Ведь нельзя, одновременно, задать координату и скорость. Привычное, ньютоновское описание движения частиц, в микромире, становится невозможным. Поэтому, приходится, отказаться и от понятия силы, как меры действия. Что же осталось? А осталась энергия и закон её сохранения.

Обращает на себя внимание факт, что в соотношениях неопределённостей, импульс связан с пространством, а энергия - со временем. Вспомним теорему Нётер. Она, чисто алгебраически, показала, что для изолированной системы, которая не обменивается энергией, ни в какой форме, с внешней средой, и на которую не действуют внешние силы, закон сохранения импульса, связан с однородностью про­странства(независимость свойств вдоль луча зрения). Азакон сохранения энергии, -соднородностью времени. Более того,закон сохранения момента импульса обусловленизотропностью(одинаковостью свойств по всем направлениям, независимость от луча зрения),пространства.

Можно сделать важный вывод: все три закона сохранения выполняются - от микромира до мегамира. Значит, пространство и время, обладают указанными свой­ствами, во всем диапазоне их возможных изменений..

5.1.1.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ.

«И несогласие согласие рождать способно».

(Овидий)

_{Квантовая механика, разрушила все стерео­типы взаимодействия частиц, между собой. Считалось, что заряд создаёт поле, которое через силовые линии, воздействует на другой заряд. Оказалось, что заряд испускает кванты /частицы-посредники/, которые поглощаются другим зарядом. Но, самое парадоксальное, что испуская квант, частица не изменяется, не нарушаются законы сохранения /благодаря принципу неопределённости/. Это же касается и другой частицы, поглотившей квант. Т.е., механизм взаимодействия, на уровне микромира, построен на обмене промежуточными частицами. Частицы, не связаны между собой, силовыми линиями.}

Частица может и сама поглотить выпущенный ею квант. Здесь уже другая механика - возникает взаимодействие с вакуумом. Подробнее об этом ниже.

Квантовая механика богата такими терминами, как «поляризация вакуума», «вакуумные поправки», «вакуумные колебания» и т.д. Вакуум - это не пустота в ньютоновском мире, а особое состояние частиц, имеющих минимальную энергию и не воспринимающихся приборами. Но, на эти частицы, можно воздействовать реальными частицами. Сообщение такой частице энергии, переводит её из вакуумного состояния в реальное, что воспринимается нами, как рождение новой частицы из вакуума. Так же, и исчезновение. Есть в вакууме и частицы других порядков и свойств, но об этом нужно говорить отдельно.

С помощью соотношения неопределенностей, можно определить радиус взаимодействия между частицами. А если он определён, - массу частицы-посредника. Обозначим энергию кванта Е₀. Она должна быть в рамках разброса ΔЕ, из формулы (26), т.е., Е₀ = ΔЕ. Из соотношения (26):

ΔЕ =ћ/Δt

где t - время в пути, частицы-посредника, равное:

Δt = L0/c

где, L0 - расстояние между взаимодействующими частицами. Учитывая, что ΔЕ=Е0 и формулу Е0 = мос² , находим искомый радиус взаимодействия:

L0 = h/m₀c (27)

Из этой формулы следует, что для гравитации и электромагнетизма, квантами которых являются фотоны и гравитоны, имеющие нулевую массу покоя, радиус взаимодействия бесконечен.

Чем меньше радиус, тем больше масса частиц-посредников. Используя это соотношение, и зная радиус ядерных взаимодействий, японский физик Хидеки Юкава, сумел предсказать массу частиц мезонов - активного начала этих взаи­модействий. Это облегчило обнаружение их, экспериментально.

Мезонная теория отмечена Нобелевской премией, т.к. это теория ядерных сил, обеспечивающая устойчивость атомов, большинства химических элементов. Формула (27), помогла оценить массу квантов близкодействующего слабого взаимодействия. Эти кванты назвали промежуточными бозонами.

В 30-е годы физики заметили, что при испускании электронов, при β-распаде, нарушается закон сохранения энергии. Возникли даже сомнения, в его справедливости, в микромире. Но, Вольфганг Паули, предположил, что существуют лёгкие нейтральные частицы, трудно обнаруживаемые, т.к., с веществом взаимодействуют слабо. Они то, и должны уносить энергию. Такие частицы были обнаружены, через 25 лет, и закон сохранения энергии, для микромира, был спасён.

5.1.1.4.Локализация микрочастиц в квантовой механике.

«Наука не знает, чем она обязана воображению».

(Эмерсон)

Изучая микромир, физики столкнулись, прежде всего, с особенностями движения микрочастиц. Они проявляются в соотношениях, устанавливающих связь между импульсно-энергетическими характеристиками частицы, и пространственно-временным /кинематическим/ аспектом её движения, называемымисоотношениями деБройля.Факты, на которых они основаны, говорят о двойственности, корпускулярно-волновой природы движения микрочастиц, – фотонов, электронов, протонов и т.д.

Ещё ранее, была установлена двойственная природа света. Свет одновре­менно и поток электромагнитных волн и корпускул.

Допущение де Бройля было в том, что любые микрообъекты, обладают двойственной корпускулярно-волновой природой. Он предположил, что для любых микрочастиц, верно соотношение между энергией Е и частой ν., а именно:

Е= ћν

Энергия любой микрочастицы, связана с частотой некоторого периодического процесса, соответствующего движению данной частицы. Допущение было, блестяще, подтверждено экспериментально.

Двойственная природа микрочастиц выражается в сочетании некоторых черт корпускулы и черт волны. Степень проявления их различна у разных микрочастиц. Чем больше импульс частицы, тем резче корпускулярные свойства. У очень длинных волн дискретность не проявляется.

Представление о свободном электроне - предельная абстракция. Состояние свободного электрона, движущегося в отсутствие внешнего поля, характеризуется плоской де-бройлевскойволной. Эта плоская, немодулированная, монохроматическая волна, описывает все возможные места его локализации.

Область пространства, где может локализоваться электрон в каждый момент, определяется расстоянием между частицами, во взаимодействии с которыми происходит движение электрона.

Электрон, обладая, лишь в среднем, постоянным импульсом, находится, в каждый момент, в состоянии столкновения, с какой-либо частицей. Более точной характеристикой его состояния, будет, более сложная волновая функция, которую можно представить пакетом волн.

Микрочастице, самой по себе, не присуще определённое местоположение (координата), в каждый момент времени, как это имеет место, у классической материальной точки.